Крупнейшие спиральные галактики превысили ожидаемую скорость вращения

Астрономы обнаружили в случае наиболее массивных спиральных галактик отклонение от соотношения между массой обычного вещества и скоростью вращения звезд (зависимость Талли — Фишера). Оказалось, что звезды на окраинах таких систем движутся гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать исходя из их массы. Результаты указывают на максимальную массу галактик и их не удается объяснить при помощи модифицированной ньютоновской динамики, пишут авторы в The Astrophysical Journal Letters.

Зависимость скорости вращения звезд в диске спиральной галактики от расстояния до центра называется кривой вращения. Если бы на таком масштабе была справедлива механика Ньютона, а вся масса заключалась в газе и звездах, то на этом графике стоило ожидать максимума на некотором отдалении от центра и постепенного замедления при движении к краю диска.

Однако в реальности для большинства галактик наблюдается иная ситуация: скорость вращения достигает максимума, но затем не снижается, а остается примерно на том же уровне — говорят, что кривая вращения стала плоской. Большинство ученых склоняется к объяснению этого феномена посредством темной материи — новой компоненты вещества, не видимой обычными телескопами. Если все галактики погружены в протяженные гало из темной материи, массы которых в несколько раз превышает суммарные массы звезд и газа в системах, то наблюдаемые кривые вращения удается воспроизвести.

Существует ряд намного менее популярных альтернативных объяснений. Самым известным является модифицированная ньютоновская динамика (МОНД), которая предполагает отклонение от стандартных законов при движении с малыми ускорениями. О проблемах подобных идей мы говорили с физиком-теоретиком в материале «Тяжелый фотон».

Большинство галактик недоступны для детального изучения и построения кривой вращения, поэтому для их изучения используются другие методы. Наиболее распространенным является построение зависимости Талли — Фишера (Tully–Fisher relation, TFR), которая связывает массу или светимость галактики со скоростью ее вращения, которую обычно вычисляют на основе измеренной ширины спектральных линий. Существует несколько вариантов TFR, отличающихся конкретными величинами, в том числе барионная TFR, в которую входит суммарная масса барионов в галактике, то есть обычного вещества — звезд и газа.

Астрономы из Австралии, США и ЮАР при участии Патрика Огле (Patrick Ogle) из Института исследований космоса с помощью космического телескопа построили барионную зависимость Талли — Фишера для наиболее массивных спиральных галактик — суперспиралей. Оказалось, что эти объекты нарушают соотношение: пропорциональность массы меняется со скорости в степени 3,75 на скорость в степени 1,64, причем для наиболее массивных галактик эта зависимость фактически сходит на нет.

На данный момент известно всего порядка ста суперспиралей. Они до 20 раз массивнее и до 5 раз больше Млечного Пути в поперечнике. В новой статье показывается, что они также обладают рекордными значениями скорости вращения — до 570 километров в секунду. Однако для столь высоких значений скорости у них оказывается недостаточно барионной массы, поэтому они и нарушают TFR.

Столь резкое отклонение от TFR невозможно объяснить в рамках МОНД, поэтому авторы остаются в рамках модели темной материи. В таком случае для объяснения рекордных скоростей вращения приходится допускать крайне высокую массу темного гало, причем она уже достигает значений, характерных для гало групп и скоплений галактик, а не отдельных объектов.

Также авторам удалось обнаружить самую массивную спиральную галактику — ей оказался объект OGC 0139 с барионной массой 6,3 × 10¹¹ масс Солнца. Астрономы считают эту оценку близкой к максимальной возможной массе галактики. Это согласуется с теоретическими оценками, которые основаны на способности барионов охлаждаться — если масса системы превышает предельное значение, то падение в столь глубокий гравитационный потенциал настолько разогревает вещество, что оно не успевает за время жизни Вселенной остыть и превратиться в звезды.

Недавно астрономы разбирались в теме возраста линзовидных и спиральных галактик, подробнее об этом можно почитать в материале «Как газ ляжет». Также физики усомнились в стабильности спиральных галактик и нашли следы исчезнувших рукавов Млечного Пути при помощи машинного обучения.